SMT無鉛錫膏的成分及說明

無鉛錫膏主要是由錫/銀/銅三部分成分組成，由銀和銅來代替原來的鉛的成分。

在錫/銀/銅系統(tǒng)中，錫與次要元素(銀和銅)之間的冶金反應(yīng)是決定應(yīng)用溫度、固化機制以及機械性能的主要因素。按照二元相位圖，在這三個元素之間有三種可能的二元共晶反應(yīng)。銀與錫之間的一種反應(yīng)在221°C形成錫基質(zhì)相位的共晶結(jié)構(gòu)和ε金屬之間的化合相位(Ag3Sn)。銅與錫反應(yīng)在227°C形成錫基質(zhì)相位的共晶結(jié)構(gòu)和η金屬間的化合相位(Cu6Sn5)。銀也可以與銅反應(yīng)在779°C形成富銀α相和富銅α相的共晶合金?？墒牵诂F(xiàn)時的研究中1，對錫/銀/銅三重化合物固化溫度的測量，在779°C沒有發(fā)現(xiàn)相位轉(zhuǎn)變。這表示很可能銀和銅在三重化合物中直接反應(yīng)。而在溫度動力學上更適于銀或銅與錫反應(yīng)，以形成Ag3Sn或Cu6Sn5金屬間的化合物。因此，錫/銀/銅三重反應(yīng)可預(yù)料包括錫基質(zhì)相位、ε金屬之間的化合相位(Ag3Sn)和η金屬間的化合相位(Cu6Sn5)。

和雙相的錫/銀和錫/銅系統(tǒng)所確認的一樣，相對較硬的Ag3Sn和Cu6Sn5粒子在錫基質(zhì)的錫/銀/銅三重合金中，可通過建立一個長期的內(nèi)部應(yīng)力，有效地強化合金。這些硬粒子也可有效地阻擋疲勞裂紋的蔓延。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子的形成可分隔較細小的錫基質(zhì)顆粒。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子越細小，越可以有效的分隔錫基質(zhì)顆粒，結(jié)果是得到整體更細小的微組織。這有助于顆粒邊界的滑動機制，因此延長了提升溫度下的疲勞壽命。

雖然銀和銅在合金設(shè)計中的特定配方對得到合金的機械性能是關(guān)鍵的，但發(fā)現(xiàn)熔化溫度對0.5~3.0%的銅和3.0~4.7%的銀的含量變化并不敏感。

機械性能對銀和銅含量的相互關(guān)系分別作如下總結(jié)2：當銀的含量為大約3.0~3.1%時，屈服強度和抗拉強度兩者都隨銅的含量增加到大約1.5%，而幾乎成線性的增加。超過1.5%的銅，屈服強度會減低，但合金的抗拉強度保持穩(wěn)定。整體的合金塑性對0.5~1.5%的銅是高的，然后隨著銅的進一步增加而降低。對于銀的含量(0.5~1.7%范圍的銅)，屈服強度和抗拉強度兩者都隨銀的含量增加到4.1%，而幾乎成線性的增加，但是塑性減少。

在3.0~3.1%的銀時，疲勞壽命在1.5%的銅時達到*大。發(fā)現(xiàn)銀的含量從3.0%增加到更高的水平(達4.7%)對機械性能沒有任何的提高。當銅和銀兩者都配制較高時，塑性受到損害，如6.3Sn/4.7Ag/1.7Cu。

合金95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu被認為是*佳的。其良好的性能是細小的微組織形成的結(jié)果，微組織給予高的疲勞壽命和塑性。對于0.5~0.7%銅的焊錫合金，任何高于大約3%的含銀量都將增加Ag3Sn的粒子體積分數(shù)，從而得到更高的強度?？墒?，它不會再增加疲勞壽命，可能由于較大的Ag3Sn粒子形成。在較高的含銅量(1~1.7%Cu)時，較大的Ag3Sn粒子可能可能超過較高的Ag3Sn粒子體積分數(shù)的影響，造成疲勞壽命降低。當銅超過1.5%(3~3.1%Ag)，Cu6Sn5粒子體積分數(shù)也會增加?？墒牵瑥姸群推趬勖粫S銅而進一步增加。在錫/銀/銅三重系統(tǒng)中，1.5%的銅(3~3.1%Ag)*有效地產(chǎn)生適當數(shù)量的、*細小的微組織尺寸的Cu6Sn5粒子，從而達到*高的疲勞壽命、強度和塑性。
   
據(jù)報道，合金93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu是217°C溫度的三重共晶合金3?？墒牵诶鋮s曲線測量中，這種合金成分沒有觀察到**熔化溫度。而得到一個小的溫度范圍：216~217°C。

這種合金成分提高現(xiàn)時研究中的三重合金成分*高的抗拉強度，但其塑性遠低于63Sn/37Pb。合金95.4Sn/4.1Ag/0.5Cu比95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu的屈服強度低。93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu的疲勞壽命低于95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu。如果顆粒邊界滑動機制主要決定共晶焊錫合金，那么95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu，而不是93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu，應(yīng)該更靠近真正的共晶特性。

另外，95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu比93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu和95.4Sn/4.1Ag/0.5Cu具有經(jīng)濟優(yōu)勢。
  
與63Sn/37Pb比較3.0~4.7%Ag和0.5~1.7%Cu的合金成分通常具有比63Sn/37Pb更高的抗拉強度。例如，95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu和93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu在強度和疲勞特性上比63Sn/37Pb好得多。93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu的塑性較63Sn/37Pb低，而95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu的塑性比63Sn/37Pb還高。

與96.5Sn/3.5Ag比較95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu具有216~217°C的熔化溫度(幾乎共晶)，比共晶的96.5Sn/3.5Ag低大約4°C。當與96.5Sn/3.5Ag比較基本的機械性能時，研究中的特定合金成分在強度和疲勞壽命上表現(xiàn)更好?？墒牵休^高銀和銅的合金成分，如93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu的塑性比93.6Sn/4.7Ag低。

與99.3Sn/0.7Cu比較3.0~4.7%Ag和0.5~1.5%Cu的錫/銀/銅成分合金具有較好的強度和疲勞特性，但塑性比99.3Sn/0.7Cu低。

推薦錫/銀/銅系統(tǒng)中*佳合金成分是95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu，它具有良好的強度、抗疲勞和塑性?？墒菓?yīng)該注意的是，錫/銀/銅系統(tǒng)能夠達到的*低熔化溫度是216~217°C，這還太高，以適于現(xiàn)時SMT結(jié)構(gòu)下的電路板應(yīng)用(低于215°C的熔化溫度被認為是一個實際的標準)。

總而言之，含有0.5~1.5%Cu和3.0~3.1%Ag的錫/銀/銅系統(tǒng)的合金成分具有相當好的物理和機械性能。相當而言，95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu成本比那些含銀量高的合金低，如93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu和95.4Sn/4.1Ag/0.5Cu。在某些情況中，較高的含銀量可能減低某些性能。

SMT無鉛錫膏的成分及說明介紹完畢。